PL184077B1

PL184077B1 - Sposób i urządzenie do bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance

Info

Publication number: PL184077B1
Application number: PL97330044A
Authority: PL
Inventors: Janusz Michał Buchert
Original assignee: Buchert Janusz Michal
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2002-08-30
Also published as: US5666956A; EP1815786A1; PL330044A1; EP0948284B1; EP0948284A1; IL127111A0; DE69737363D1; JP2001503999A; IL127111A; EA002636B1; ATE353590T1; DE69737363T2; EA199801025A1; JP3686422B2; AU2599697A; PT948284E; ES2281912T3; AU711156B2; WO1997043947A1; DK0948284T3

Abstract

1 . Sposób bezinwazyjnego pomiaru stezenia sub- stancji w ludzkiej tkance, w którym mierzy sie emisje promieniowania podczerwonego emitowanego przez cialo ludzkie w sposób naturalny jako cieplo oraz wykorzystuje sie analize linii widmowych w podczerwieni, znamienny tym, ze mierzy sie intensywnosc W ( ? ,T) emisji przez cialo ludzkie linii widmowych charakterystycznych dla substancji skladnikowych tkanki ludzkiej w zakresie podczerwieni dla ustalonych z góry dlugosci fal X , gdzie dlugosc fali X , jest zalezna od skladu substancji tkanki, po czym analizujac zmierzone linie widmowe w zakresie podczerwieni okresla sie wspólzaleznosc miedzy inten- sywnoscia W(?,T) emisji linii widmowych i stezeniem badanej substancji jako miare stezenia badanej substancji. 4. Urzadzenie do bezinwazyjnego pom iaru stezenia substancji w ludzkiej tkance, zbudowane z ukladu wykry- wania promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni i dolaczonego do niego elektronicznego ukladu przetwarzania wykrytego promieniowania cieplnego i wyswietlania wyni- ku pom iaru, znamienne tym, ze uklad wykrywania pro- mieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni jest zbu- dowany z ukladu kierujacego (4) promieniowanie podczer- wone oraz z dolaczonego do niego ukladu detekcji skladaja- cego sie z zespolu optycznego (6) filtrów podczerwieni i detektora (7) czulego na promieniowanie z zakresu pod- czerwieni. Fig. 3 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance, w którym wykorzystuje się naturalne promieniowanie podczerwone emitowane przez ciało ludzkie, a w szczególności przez błonę bębenkową ucha, które jest zależne od składników tkanki promieniującej. Widmowa zdolność emisyjna promieniowania podczerwonego z błony bębenkowej ucha człowieka zawiera informacje o widmie składników chemicznych krwi. Te informacje mogą być bezpośrednio skorelowane z koncentracją składników, przykładowo ze stężeniem cukru we krwi.

Znane jest dokonywanie pomiarów zawartości cukru w płynach ustrojowych człowieka, jedzeniu, czy też w owocach lub innych produktach rolniczych, poprzez pobranie próbki w celu jej analizy. Istnieją specjalne urządzenia do pomiarów zawartości glukozy we krwi cukrzyków. Wykorzystuje się małą kroplę krwi pobraną z palca przez jego nakłucie. Krew umieszczoną na spreparowanych paskach pomiarowych poddaje się analizie w urządzeniu podręcznym pozwalającym na określenie stężenia glukozy we krwi. Cukrzycy muszą nakłuwać palec w celu uzyskania kropli krwi, przy czym niektórzy dokonują to wiele razy dziennie.

W celu eliminacji bólu spowodowanego pobieraniem krwi jak również uniknięcia potencjalnej infekcji, wykorzystuje się bezinwazyjne metody optyczne pomiarów stężenia cukru we krwi. Stosuje się w tym celu metody analizy widmowej oparte na absorpcji, transmisji, odbiciu lub luminescencji.

W opisach patentowych USA nr 3,958,560 i nr 4,014,321 jest ujawniony czujnik glukozy pozwalający na określenie poziomu glukozy u pacjentów. Oko pacjenta jest skanowane automatycznie z wykorzystaniem dwóch źródeł spolaryzowanego promieniowania, o różnych długościach fali, umieszczonych po jednej stronie rogówki oka pacjenta. Czujnik umieszczony po drugiej stronie rogówki dokonuje detekcji skręcenia płaszczyzny polaryzacji promieniowania, które przeszło poprzez rogówkę. Ponieważ poziom koncentracji glukozy we krwi pacjenta posiada związek funkcyjny z poziomem 'glukozy w rogówce, to określenie zmiany płaszczyzny polaryzacji promieniowania może określić poziom stężenia glukozy we krwi.

W opisie patentowym USA nr 3,963,019 opisano sposób i urządzenie dla wykrywania zmian chemicznych w ciele ludzkim, przykładowo w chorobach cukrzycy. Promień światła oświetla i przechodzi przez wodnistą część oka pacjenta. Analizator umieszczony po drugiej stronie oka pacjenta porównuje efekt spowodowany w wiązce światła, która przeszła przez oko w stosunku do normy. W ten sposób zostaje określona zmiana w stężeniu glukozy.

Z kolei w opisie patentowym USA nr 4,882,492 opisano urządzenie i bezinwazyjny sposób stężenia glukozy i innych substancji we krwi, z wykorzystaniem metody przestrzennego odbicia i transmisji w pomiarach podczerwonej absorpcji. Wynalazek opiera się na bezdyspersyjnej metodzie spektroskopii korelacyjnej, w której poprzez rozróżnienie intensywności dwóch promieni światła przechodzących dwoma drogami, jedną z ujemnym filtrem korelacyjnym, drugą bez niego, dokonuje się pomiaru sygnału proporcjonalnego do stężenia składników.

W opisie patentowym USA nr 4,883,953 przedstawiono sposób pomiaru stężenia cukru w cieczy, wykorzystując światło z zakresu bliskiej podczerwieni. Stężenie cukru jest określane poprzez obliczanie widma absorpcji cukru na różnych głębokościach _ próbki. Pomiary są dokonywane za pomocą wiązki promieni podczerwonych o słabej intensywności, penetrujących próbkę tylko przy jej powierzchni, oraz przez wiązkę światła podczerwonego o silnej intensywności, penetrującej próbkę głębiej.

W opisie patentowym USA nr 5,009,230 przedstawiono urządzenie do bezinwazyjnego pomiaru glukozy we krwi pacjenta, w którym wykorzystuje się efekt skręcania płaszczyzny polaryzacji światła przez glukozę i transmisję światła podczerwonego w obszarze widma

184 077 o minimalnej absorpcji tkanki. Dokładniej, dwie wiązki podczerwonego światła o prostopadłych płaszczyznach polaryzacji, posiadających minimalną absorpcję, przechodzą przez tkankę zawierającą krew. Dokonuje się dokładnych pomiarów zmian intensywności sygnału na skutek zmian kąta płaszczyzny polaryzacji wiązki podstawowej. Zmiana kąta zależy od stężenia glukozy.

Następnie w opisach patentowych USA nr 5,028,787 i nr 5,068,536 ujawniono urządzenie pracujące w bliskiej podczerwieni do ilościowej analizy oraz sposób kalibracji bezinwazyjnych pomiarów glukozy we krwi. Zgodnie z opisem dokonuje się analizy energii światła bliskiej podczerwieni po jego oddziaływaniu z krwią żylną lub tętniczą lub po jego przejściu transmisji przez tkankę ludzką zawierającą, krew.

W opisie patentowym USA nr 5,054,487 opisano sposób bezinwazyjnej analizy materiału, w której jest on oświetlany wiązką światła zawierającą wiele długości fal. W sposobie dokonuje się pomiaru intensywności światła odbitego dla różnych długości fal i koreluje zależności intensywności odbicia dla różnych długości fal z własnościami materiału, przykładowo ze stężeniem składników.

W opisach patentowych USA nr 5,146,091 i nr 5,179,951 opisano sposób pomiaru cukru we krwi poprzez testowanie składników cieczy w tkance ludzkiej. W sposobie wykorzystuje się pomiar światła odbitego od błony bębenkowej ucha. Światło testujące czułe na glukozę i wiązka porównawcza widma z zakresu od około 500 do 4000 cm'¹ oświetla błonę bębenkową, która zawiera składniki o nie znanym stężeniu. Detektor dokonuje pomiaru intensywności światła testującego i porównawczego, których intensywność zostaje zmieniona po odbiciu od błony bębenkowej zawierającej ciecz, przy czym dokonuje się także pomiaru drogi optycznej wiązki testującej i porównawczej, a następnie oblicza się poziom stężenia składników substancji w odpowiedzi na zmniejszenie intensywności wiązki testującej i referencyjnej, jak również w zależności od zmierzonej drogi optycznej.

W opisie patentowym USA nr 5,313,941 przedstawiono bezinwazyjny spektrometr pulsacyjny dla pomiarów stężenia co najmniej jednej określonej substancji w krwi pacjenta. Urządzenie zawiera źródło promieniowania podczerwonego emitującego szerokie spektralnie impulsy światła podczerwonego o różnych długościach fal, od co najmniej 2 mikrometrów. Detektor podczerwieni dokonuje detekcji światła na określonych długościach fal po przejściu wiązki przez tętnice zawierające krew, przy czym fale o różnych długościach zostają zaabsorbowane w sposób selektywny przez jedną z określonych i badanych substancji.

W opisie patentowym USA nr 5,341,805 opisano monitor glukozy, który określa stężenie glukozy w próbce poprzez pomiar jej fluorescencji. Fluorescencja glukozy jest spowodowana przez ultrafioletowe światło wzbudzające. Detektor urządzenia mierzy światło w dwóch obszarach widmowych. Jeden obszar widmowy zawiera pik charakterystyczny dla fluorescencji glukozy, drugi obszar widmowy, jako wiązka referencyjna, posiądą znaną charakterystykę widmową, po czym na tej podstawie procesor oblicza stężenie glukozy w próbce.

W opisach patentowych USA nr 5,360,004 i nr 5,379,764 opisano sposób i urządzenie do bezinwazyjnego pomiaru stężenia co najmniej jednej substancji w tkance ssaków. Część ciała ssaka jest oświetlona przez promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni, które zawiera dwa lub więcej rozróżnialne obszary spektralne. Zgodnie z tymi opisami dokonuje się pomiaru promieniowania emitowanego przez ciało na skutek tego wzbudzenia i stąd obliczana jest wartość stężenia.

W opisie patentowym USA nr 5,370,114 opisano bezinwazyjne urządzenie do pomiaru stężenia wyselekcjonowanych chemicznych składników krwi. Urządzenie zawiera źródło światła wzbudzającego z podczerwonego zakresu widma oraz układy detekcji światła emitowanego przez molekuły w odpowiedzi na wzbudzenie ze źródła. Co najmniej dwa dodatkowe sygnały są monitorowane w celu eliminacji wpływu temperatury i efektu ciśnieniowego na obliczany poziom stężenia glukozy we krwi.

W opisie patentowym USA nr 5,383,452 opisano sposób, urządzenie i procedurę bezinwazyjnej detekcji zmian stężenia cukru we krwi. Urządzenie mierzy zmiany stężenia cukru wykorzystując naturalną własność glukozy - jej zdolność do skręcania płaszczyzny polaryzacji światła emitowanego przez chromofory zawarte w molekułach biologicznych rozpuszczo184 077 nych wraz z cukrem w płynach ustrojowych człowieka. Stopień polaryzacji światła emitowanego poprzez centra luminescencyjne jest proporcjonalny do stężenia cukru we krwi, gdyż centra te podlegają oddziaływaniu z optycznie aktywnym medium jakim jest cukier.

W innych pracach naukowych, opublikowanych przez J. S. Maier i innych w Optics Letters, Vol. 19, Nr. 24, Grudzień 15, 1994, str, 2062 i przez M. Kohla i innych w Optics Letters, Vol. 19, Nr. 24, Grudzień 15, 1994, str. 2170, pokazano, że różnice współczynników załamania światła między płynem międzykomórkowym i składnikami komórek mogą być modulowane poprzez poziom glukozy, który wpływa na współczynnik załamania światła płynu międzykomórkowego. Naukowcy ci zaprojektowali i skonstruowali częstotliwościowy spektrometr bliskiej podczerwieni mogący dokonywać pomiarów zredukowanego współczynnika rozpraszania światła w tkance. Dokładność przyrządu jest wystarczająca do detekcji zmian poziomu glukozy w zakresie stężeń fizjologicznych i patologicznych.

Znane są ponadto inne rozwiązania dotyczące bezinwazyjnych pomiarów poziomu glukozy we krwi opierające się na różnorodnych metodach z zakresu spektroskopii, elektrochemii i pomiarów prędkości rozchodzenia się fal akustycznych.

I tak, w opisach patentowych USA nr 4,875,486 i nr 5,072,732 opisano spektrometr jądrowego rezonansu magnetycznego, który porównuje standardowe zależności intensywności pików wody i glukozy z wartościami zmierzonymi dla tkanki w celu określenia stężenia glukozy.

W opisie patentowym USA nr 5,119,819 opisano pomiar prędkości rozchodzenia się fal akustycznych dla określenia stężenia glukozy poprzez jej wpływ na zmiany gęstości i adiabatycznej ściśliwości surowicy.

W opisie patentowym USA nr 5,139,023 ujawniono sposób bezinwazyjnego monitorowania glukozy we krwi poprzez korelację ilości glukozy, która przeniknęła przez nabłonkową membranę, taką jest skóra, z ilością glukozy w ośrodku zbierającym, przylegającym do skóry w określonym przedziale czasu. Ośrodek zbierający jest następnie oddzielany od skóry i analizowany konwencjonalnymi metodami analitycznymi.

W opisie patentowym USA nr 5,140,985 opisano instrument pomiarowy i przyrząd wskazujący, który oznacza glukozę we krwi poprzez pomiar jej zawartości w pocie lub innych płynach wydzielanych przez ciało człowieka, wykorzystując różnorodne czujniki tlenu pokryte przez półprzepuszczalne membrany. Przyrząd może być bezpośrednio umieszczony na ramieniu i reagując na pot wskazuje poziom glukozy danego osobnika.

Znane są także detektory podczerwieni służące do pomiarów temperatury różnych obiektów. W medycznych zastosowaniach wykorzystuje się je do pomiarów temperatury pacjentów w sposób bezkontaktowy. Pomiar temperatury ciała człowieka możliwy jest poprzez pomiar temperatury skóry ludzkiej, lub też z większą dokładnością, może być dokonany przez ilościowy pomiar emisji promieniowania podczerwonego emitowanego przez błonę bębenkową Błona bębenkowa okazuje się doskonałym miejscem dla pomiarów temperatury ciała, gdyż posiada wspólne źródło zasilania w krew razem z podwzgórzem, centrum odpowiedzialnym za regulację wewnętrznej temperatury ciała. Tego typu termometr wykorzystuje do pomiarów ciepło emitowane przez błonę bębenkową ucha. Część pomiarowa umieszczana jest w kanale usznym w taki sposób by detektor podczerwieni zamykał kanał uszny umożliwiając wielokrotne odbicia promieniowania z błony bębenkowej i zmieniając go w ten sposób we wnękę o charakterystyce zbliżonej do wnęki ciała doskonale czarnego, czyli takiego, którego zdolność emisyjna zbliżona jest do jedności. Jeśli umieści się czujnik podczerwieni w kanale usznym w odpowiedni sposób to promieniowanie z błony bębenkowej i jej naczyń krwionośnych może w sposób niezakłócony padać na detektor. Tą drogą dokonuje się pomiaru intensywności promieniowania podczerwonego emitowanego przez błonę bębenkową pacjenta.

Prawo Pianka określa zależność między intensywnością promieniowania, składem widmowym i temperaturą ciała doskonale czarnego. Gdy temperatura podnosi się, energia promieniowania ulega zwiększeniu. Energia promieniowania zmienia się też w zależności od długości fali. Wraz ze · wzrostem temperatury maksymalna wartość rozkładu widmowego ulega przesunięciu w stronę fal krótszych i promieniowanie występuje w szerokim zakresie widmowym. Energia promieniowania ciała doskonale czarnego mierzona przez bezstykowy termometr na podczerwień jest energią całkowitą promieniowania emitowanego w całym

184 077 obszarze widmowym. Jest ona proporcjonalna do całki po wszystkich długościach fal z równania Pianka i opisana poprzez prawo Stefana-Boltzmana.

W opisach patentowych USA nr nr 4,790,324, 4,932,789, 4,797,840, 5,178,464, 5,159,936, 5,167,235 opisane są różne konstrukcje bezstykowych termometrów na podczerwień wykorzystujących promieniowanie z błony bębenkowej.

Istotą sposobu bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance według wynalazku, w którym mierzy się emisję promieniowania podczerwonego emitowanego przez ciało ludzkie w sposób naturalny jako ciepło oraz wykorzystuje się analizę linii widmowych w podczerwieni, jest to, że mierzy się intensywność W(X,T) emisji przez ciało ludzkie linii widmowych charakterystycznych dla substancji składnikowych tkanki ludzkiej w zakresie podczerwieni dla ustalonych z góry długości fal X, gdzie długość fali X jest zależna od składu substancji tkanki, po czym analizując zmierzone linie widmowe w zakresie podczerwieni określa się współzależność między intensywnością W(X,T) emisji linii widmowych i stężeniem badanej substancji jako miarę stężenia badanej substancji.

Korzystnie do pomiarów intensywności W(X,T) emisji przez ciało ludzkie linii widmowych wykorzystuje się ciepło emitowane przez błonę bębenkową i jej składniki, włączając naczynia krwionośne.

Korzystnie jako ludzką tkankę wykorzystuje się krew, zaś jako badaną substancję glukozę.

Istotą urządzenia do bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance według wynalazku zbudowanego z układu wykrywania promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni i dołączonego do niego elektronicznego układu przetwarzania wykrytego promieniowania cieplnego i wyświetlania wyniku pomiaru, jest to, że układ wykrywania promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni jest zbudowany z układu kierującego promieniowanie podczerwone oraz z dołączonego do niego układu detekcji składającego się z zespołu optycznego filtrów podczerwieni i detektora czułego na promieniowanie z zakresu podczerwieni.

Korzystnie układ kierujący promieniowanie podczerwone jest wybrany z grupy obejmującej optyczny falowód podczerwieni, lustro, reflaktor i soczewkę.

Korzystnie zewnętrzna część układu kierującego promieniowanie podczerwone zawiera wziernik umieszczany w kanale usznym.

Korzystnie zespół optyczny filtrów podczerwieni zawiera filtry o wąskim paśmie przepuszczania w podczerwieni charakterystycznym dla linii emisyjnych substancji badanej i/lub filtry o neutralnej gęstości optycznej dla regulacji intensywności promieniownia padającego na detektor.

Korzystnie detektor zawiera co najmniej dwa elementy detekcyjne czułe na promieniowanie, przy czym jeden element detekcyjny jest zakryty ujemnym filtrem korelacyjnym zaś drugi element detekcyjny filtrem osłabiającym.

Korzystnie detektor zawiera co najmniej dwa elementy detekcyjne czułe na promieniowanie, które są zakryte filtrami podczerwieni o wąskim paśmie przepuszczania charakterystycznym dla linii emisyjnych substancji badanej i/lub filtrami o neutralnej gęstości optycznej dla regulacji intensywności promieniowania padającego na elementy detekcyjne detektora.

Korzystnie elementy detekcyjne detektora są połączone przeciwsobnie.

Korzystnie zawiera plastikowy ochraniacz wykonany z materiału przeźroczystego dla promieniowania podczerwonego, przy czym ochraniacz jest nałożony na wziernik.

Korzystnie zawiera przesłonę optyczną umieszczoną pomiędzy układem kierującym promieniowanie podczerwone i układem detekcji.

Korzystnie przesłoną optycznąjest migawka lub przerywacz.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że do pomiarów stężenia substancji w ludzkiej tkance wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie fal mikrometrowych, którego naturalnym źródłem jest ciało ludzkie.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres intensywności promieniowania ciała doskonale czarnego w różnych temperaturach, fig. 2a - widmo absorpcji w podczerwieni dla D-glukozy, fig. 2b widmo absorpcji dla suchej próbki krwi z dużą zawartością glukozy, fig. 2c -widmo absorpcji

184 077 w podczerwieni dla suchej próbki krwi z małą zawartością glukozy, fig. 2d - widmo różnicowe między dużą i małą koncentracją glukozy w suchej próbce krwi, fig. 3 - schemat ideowy urządzenia według wynalazku, fig. 4a - w widoku ogólnym dwuelementowy detektor piroelektryczny, którego dwie czułe powierzchnie krystaliczne są zakryte dwoma różnymi filtrami, fig. 4b - w widoku z góry detektor piroelektryczny, fig. 4c - schemat połączeń elektrycznych detektora piroelektrycznego, zaś fig. 5a, 5b, 6a i 6b przedstawiają wyniki pomiarów stężenia glukozy we krwi pacjenta w czasie testu tolerancji glukozy, przy czym fig. 5a przedstawia wyniki pomiarów dla metody bezinwazyjnej według wynalazku i znanej metody inwazyjnej a fig. 5b -wykres korelacji między tymi pomiarami, zaś fig. 6a wyniki pomiarów dla metody bezinwazyjnej według wynalazku z zastosowaniem filtru o wąskiej przepuszczalności spektralnej i znanej metody inwazyjnej a fig. 6b - wykres korelacji między tymi pomiarami.

W rozwiązaniu według wynalazku wykorzystuje się fakt, że ciało ludzkie w sposób naturalny promieniuje silne fale elektromagnetyczne z rejonu fal o długościach mikrometrowych. Promieniowanie to zawiera informacje widmowe charakterystyczne dla substancji, składników krwi lub substancji, składników innych tkanek, przy czym te informacje mogą być bezpośrednio skorelowane ze stężeniem tych substancji we krwi lub stężeniem substancji w innych tkankach.

Ciało ludzkie emituje silne promieniowanie elektromagnetyczne zgodnie z prawem fizyki, które stanowi, że każdy obiekt emituje promieniowanie elektromagnetyczne, a jego ilość i charakterystyka widmowa jest określona przez jego temperaturę bezwzględną i poprzez własności oraz stan obiektu.

Prawo Pianka ustanawia zależność między intensywnością promieniowania, rozkładem widmowym i temperaturą ciała doskonale czarnego:

W₀(/,T) = 2nc²h//⁵ (e^hc^k/^T - 1)-, gdzie:

W₀(/,T) oznacza monochromatyczne natężenie promieniowania,

T -temperatura bezwzględna ciała promieniującego (K), λ - długość fali [pm], c - prędkość światła = 2.998*10^w (cm/sec), h - stałą Pianka = 6.625*10‘³⁴ (W sec²) a k - stałą Boltzmana = 1.380* 10‘2³(W sec /K).

Ze wzrostem temperatury wzrasta także energia promieniowania jak to pokazano na fig.

1. Energia promieniowania zmienia się w zależności od długości fali. Wraz ze wzrostem temperatury wartość maksymalna rozkładu widmowego promieniowania przesuwa się w stronę fal krótszych i promieniowanie zwiększa swoją szerokość widmową

Stosunek monochromatycznego natężenia promieniowania W(/,T) dla określonej długości fali dla ciała nieczarnego do monochromatycznego natężenia promieniowania W₀(/,T) ciała doskonale czarnego znajdującego się w tej samej temperaturze i dla tej samej długości fali jest nazywany emisyjnością monochromatyczną ευ

W(2,r) ‘ W„(A.T)

Jeżeli emisyjność monochromatyczna ε/, jest stała dla wszystkich długości fal, to takie ciało nazywa się ciałem szarym. W przyrodzie występuje wiele materiałów, których własności są zbliżone do własności ciała szarego. Przykładowo, skóra ludzka posiada całkowitą emisyjność rzędu 0,986. W przypadku błony bębenkowej, która jest bardzo dobrze zaopatrywana w krew i posiada bardzo cienką tkankę skórną przeźroczystą dla promieniowania podczerwonego, wartość emisyjności monochromatycznej będzie modulowana przez widmową charakterystykę krwi i stężenie jej składników wpływać będzie na jej wielkość. Prawo Kirchoffa stwierdza, że dla wszelkich ciał w danej temperaturze i dla danej długości fali monochromatyczny współczynnik pochłaniania A\ jest równy emisyjności monochromatycznej ε/. Można więc stwierdzić, że charakterystyka widmowa krwi z różną zawartością, glukozy, lub innych

184 077 substancji, pokazana na fig. 2a, 2b, 2c i 2d, zmieniać będzie emisyjność błony bębenkowej i w ten sposób umożliwi pomiary stężenia substancji składowych, na przykład glukozy, we krwi.

Promieniowanie ciała ludzkiego zawiera informacje o widmowej charakterystyce obiektu promieniującego i jest określone przez temperaturę bezwzględną ciała i przez własności oraz stan emitującej tkanki.

Pomiar temperatury ciała ludzkiego jest możliwy poprzez pomiar temperatury skóry ludzkiej, lub też z większą dokładnością przez ilościowy pomiar emisji promieniowania podczerwonego przez błonę bębenkową. Termometr uszny wykorzystujący pomiar promieniowania z błony bębenkowej mierzy całkowitą widmową energię promieniowania. Jego część pomiarowa jest umieszczana w kanale usznym w taki sposób by detektor podczerwieni zamykał kanał uszny umożliwiając wielokrotne odbicia promieniowania z błony bębenkowej i zmieniając go w ten sposób we wnękę o charakterystyce zbliżonej do wnęki ciała doskonale czarnego, czyli takiego, którego zdolność emisyjna jest zbliżona do jedności. Jeśli umieści się czujnik podczerwieni w kanale usznym w odpowiedni sposób to promieniowanie z błony bębenkowej i jej naczyń krwionośnych może w sposób niezakłócony padać bezpośrednio na detektor. Tą drogą dokonuje się pomiaru intensywności promieniowania podczerwonego emitowanego przez błonę bębenkową pacjenta. Jeśli porówna się widmo promieniowania podczerwonego błony bębenkowej z widmem teoretycznym ciała doskonale czarnego, opisanego przez Pianka i Kirchoffa to można stwierdzić, że jest ono zmodyfikowane widmowo poprzez tkankę promieniującą. Z tego wynika, że promieniowanie podczerwone zawiera charakterystykę widmową, przykładowo, krwi znajdującej się w błonie bębenkowej. Ta cecha pozwala na pomiar stężenia składników krwi poprzez widmową analizę promieniowania podczerwonego emitowanego w sposób naturalny przez ciało ludzkie.

Charakterystyki widmowe zawarte w promieniowaniu elektromagnetycznym emitowanym przez ciało ludzkie zawierają informacje o wszystkich komponentach tkanki. W urządzeniu według wynalazku, widmowe charakterystyki różnych składników tkanki zostają rozdzielone przy pomocy spektroskopowej metody bezdyspersyjnej korelacji. Polega ona na użyciu przed detektorem podczerwieni systemu filtrów tworzących tak zwany filtr o ujemnej korelacji. Filtr taki blokuje promieniowanie w paśmie absorpcji substancji mierzonej w jednym z okienek detektora, gdy drugie zakryte jest filtrem, który nie blokuje promieniowania w paśmie absorpcyjnym charakterystycznym dla badanej substancji. Rozróżnienie intensywności promieniowania między obydwoma okienkami detektora, które odbywa się na jego poziomie ze względu na konstrukcję czujnika, pozwala na pomiar sygnału proporcjonalnego do stężenia substancji badanej, co można pokazać na przykładzie pomiaru stężenia glukozy we krwi.

Urządzenie według wynalazku mierzy promieniowanie podczerwone emitowane w sposób naturalny przez ciało ludzkie. Promieniowanie to zawiera informacje widmowe o tkance emitującego ciała. Termometr oparty na pomiarze promieniowana mierzy integralną energię promieniowania podczerwonego emitowanego przez ciało bez widmowej dyskryminacji długości fal promieniowania podczerwonego. W przypadku urządzenia według wynalazku sygnał z detektora jest proporcjonalny do różnicy między promieniowaniem podczerwonym ciała przechodzącym przez filtr z charakterystyką widmową mierzonej substancji, na przykład glukozy we krwi, i promieniowaniem podczerwonym ciała przechodzącym przez filtr o charakterystyce widmowej nie zawierającej pasm charakterystycznych dla analizowanej substancji. W ten sposób mierzony sygnał jest niezależny od temperatury ciała emitującego, gdyż ta wielkość ulega zniesieniu poprzez odjęcie.

Na figurze 2a pokazano widmo absorpcji w podczerwieni dla D-glukozy. Widmo zawiera wszystkie charakterystyczne pasma glukozy w rejonie podczerwieni. Filtr o takiej właśnie charakterystyce widmowej jest umieszczony w jednym z okienek detektora, równocześnie w celu kompensacji intensywności całkowitej zaabsorbowanej przez pierwszy filtr, wstawiany jest odpowiedni filtr osłabiający promieniowanie w drugim okienku detektora. Przyrząd taki będzie mógł mierzyć stężenie glukozy w ciele ludzkim emitującym promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie podczerwieni.

Na figurze 2b pokazano widmo absorpcji w podczerwieni dla suchej próbki krwi z dużą zawartością glukozy, a na fig. 2c z niewielką zawartością glukozy. Widmo różnicowe poka184 077 zane na fig. 2d przedstawia odzwierciedlenie różnicy między dużą i małą koncentracją glukozy w suchej próbce krwi. Te widmowe charakterystyki absorpcyjne wpływają na współczynnik emisyjności promieniowania ciała ludzkiego. Krzywa pokazuje także preferowaną charakterystykę spektralną ujemnego filtru korelacyjnego. Urządzenie z takim filtrem będzie posiadało najbardziej optymalną czułość i skalę dynamiczną dla pomiarów glukozy we krwi, zaś sygnał będzie wprost proporcjonalny do stężenia glukozy we krwi.

Na figurze 3 jest przedstawiony schemat ideowy urządzenia do bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance. Promieniowanie podczerwone z obiektu 1 takiego jak ciało ludzkie jest odbierane przez urządzenie. Składa się ono z układu wykrywania promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni zawierającego układ kierujący 4 promieniowanie podczerwone oraz dołączonego do niego układu detekcji składającego się z zespołu optycznego 6 filtrów podczerwieni i detektora 7, do którego jest dołączony elektroniczny układu przetwarzania wykrytego promieniowania cieplnego zawierający układ elektroniczny 8 z dołączonym mikroprocesorem 8 i wyświetlaczem 10 wyniku pomiaru. Układ kierujący 4 promieniowanie podczerwone może mieć formę dowolnego optycznego urządzenia kierującego takiego jak falowód podczerwieni zbudowany z rurki wypolerowanej w środku i/lub pokrytej złotą powłoką we wnętrzu lub inny optyczny falowód wykonany dla transmisji promieniowania podczerwonego, przykładowo wykonany ze specjalnego szkła, lub takiego jak lustro, reflaktor i soczewka. Zewnętrzna część układu wykrywania promieniowania cieplnego zawiera wziernik 3 do umieszczenia w kanale usznym. Na wziernik 3 jest nałożony, z powodów higienicznych, plastikowy ochraniacz 2 wykonany z cienkiej folii plastikowej przeźroczystej dla promieniowania podczerwonego w tym obszarze.

Na zakończeniu optycznego układu kierującego 4 promieniowanie podczerwone jest umieszczona optyczna przesłona 5 w postaci migawki lub przerywacza, po której otwarciu następuje pomiar promieniowania podczerwonego przez urządzenie. Optyczna przesłona 5 jest elementem opcjonalnym, który jest nieodzowny w przypadku użycia detektora piroelektrycznego, który wykrywa zmiany energii cieplnej. W przypadku użycia innego detektora promieniowania podczerwonego, takiego jak na przykład detektora termoelektrycznego lub bolometrycznego użycie optycznej przesłony 5 nie jest wymagane, gdyż detektory tego typu wykrywają promieniowanie podczerwone w sposób ciągły, a nie tylko jego zmiany jak w przypadku detektora piroelektrycznego.

Układ detekcji zawiera zespół optyczny 6 filtrów podczerwieni i detektor 7 czuły na promieniowanie w zakresie podczerwieni, emitowane przez ciało ludzkie. Detektor 7 może być dowolnym typem detektora znanym w technice podczerwieni takim jak na przykład detektor piroelektryczny, termoelektryczny, bolometryczny lub inny. Detektor 7 wytwarza sygnał, który zawiera informacje o odebranym promieniowaniu. Układ elektroniczny 8 przyrządu zawiera układy elektroniczne formujące sygnał elektryczny, które obejmują wzmacniacz elektroniczny i przetwornik analogowo-cyfrowy. Do układu elektronicznego 8 dołączony jest mikroprocesor 9 dokonujący niezbędnego przekształcenia wartości sygnału elektrycznego z detektora 7 na wartości mierzonego stężenia substancji mierzonej i formujący sygnał do postaci akceptowalnej przez wyświetlacz 10. Układ przetwarzania wykrytego promieniowania cieplnego ma za zadanie stabilizację zależnych temperaturowo części przyrządu, kompensację zmian temperatury zewnętrznej w sposób analogiczny do znanych termometrów na podczerwień, oraz korelację, obliczanie i następnie wyświetlanie stężenia mierzonej substancji na podstawie pomiarów widmowych natężeń promieniowania podczerwonego emitowanego przez ciało ludzkie.

Układ detekcji przyrządu składający się z zespołu optycznego 6 filtrów podczerwieni i detektora 7 jest; zbudowany przykładowo z wykorzystaniem detektora piroelektrycznego. Detektor ten, jak pokazano na fig. 4a zawiera dwa czułe elementy detekcyjne 11, 12 zbudowane z kryształu piroelektrycznego, pokryte okienkiem silikonowym 13 z napylonym filtrem przepuszczającym fale powyżej 5-ciu mikronów aby przepuścić tylko promieniowanie podczerwone, odpowiadające swoim zakresem promieniowaniu cieplnemu ludzkiego ciała. Jeden z elementów detekcyjnych 11 czułych na promieniowanie zakryty jest jednym filtrem podczerwieni, to jest ujemnym filtrem korelacyjnym 14, zaś drugi element

184 077 detekcyjny 12 jest zakryty drugim filtrem podczerwieni, to jest filtrem osłabiającym 15, który nie posiada pasm charakterystycznych dla badanej substancji. Zmodyfikowane widmo promieniowania podczerwonego, pochodzące na przykład z błony bębenkowej, oświetla obydwa elementy detekcyjne 11, 12, jeden z ujemnym filtrem korelacyjnym 14, który blokuje promieniowanie w pasmach absorpcji substancji badanej, i drugie z filtrem osłabiającym 15, w którym promieniowanie jest osłabiane równomiernie na wszystkich długościach fal. Zadaniem filtru osłabiającego 15 jest kompensacja osłabionego promieniowania z pierwszego elementu detekcyjnego 11. Obydwa elementy detekcyjne 11,12 detektora 7, którego widok z góry pokazano na fig. 4b, są połączone elektrycznie w sposób przeciwsobny a wartości ich sygnałów są odejmowane, jak to przykładowo pokazano na schemacie połączeń elektrycznych detektora piroelektrycznego na fig. 4c. Pokazane na fig. 4c elementy detekcyjne 11 i 12 zbudowane są z kryształu piroelektrycznego. Polaryzacja kryształów określona znakiem ± wskazuje na takie połączenie elektryczne, że wartości sygnałów elektrycznych elementów detekcyjnych 11, 12, proporcjonalne do intensywności padającego na nie promieniowania, są odejmowane. Rezystor 16 oraz tranzystor połowy 17 zapewniają dopasowanie elektryczne sygnału wyjściowego z detektora 7 do wejścia do układu elektronicznego 8, przy czym oznaczenie V± określa napięcie zasilania detektora 7 a oznaczenie GND określa jego masę elektryczną. Różnica intensywności promieniowania między dwoma drogami optycznymi prowadzącymi do elementów detekcyjnych 11 i 12 daje w wyniku pomiar proporcjonalny do stężenia substancji badanej. Sygnał elektryczny z detektora 7 jest następnie przekazywany do formującego układu elektronicznego 8 i dalej do mikrokomputera 9 i wyświetlacza 10, jak pokazano na fig. 3. Wartość sygnału jest proporcjonalna do różnicy widmowej, mierzonej przez detektor 7 i dalej proporcjonalna do stężenia badanej substancji w ciele ludzkim.

Można również, do pomiarów glukozy we krwi, zastosować filtr o wąskim paśmie przepuszczania z charakterystyką widmową podobną do pokazanej na fig. 2d. Filtr taki umieszczony jest na jednym z elementów detekcyjnych 11 lub 12 detektora 7. Na drugim elemencie detekcyjnym można umieścić filtr osłabiający lub też inny filtr o wąskim paśmie spektralnym z charakterystyką widmową, która nie jest czuła na badaną substancję. Dokładne wybranie częstości środkowych tych filtrów i ich zdolności przepuszczania może również zapewnić kompensację zmian temperaturowych ciała promieniującego. Dla filtru osłabiającego, z płaską charakterystyką częstotliwościową, sygnał może zależeć od temperatury ciała ludzkiego, gdyż emitowane widmo promieniowania, z wyjątkiem tej części widma, które przeszło przez filtr o wąskiej charakterystyce widmowej, może nie zostać skompensowane. Taka konstrukcja musi zawierać dodatkowy czujnik temperatury dla kompensacji tego efektu. Metoda ta nie będzie tak selektywna jak opisana poprzednio, która wykorzystuje filtr ujemnej korelacji, bazujący na bezdyspersyjnej metodzie spektroskopii.

Rysunki fig.5a, fig.5b, fig. 6a i fig.6b przedstawiają wyniki pomiarów stężenia glukozy we krwi u pacjentów w czasie testu tolerancji glukozy. W czasie testu tolerancji glukozy pacjent bez objawów cukrzycy przyjmował doustnie, rozpuszczone w wodzie, około 75 gramów cukru. Stężenie glukozy we krwi było mierzone przed rozpoczęciem eksperymentu i po doustnym zaaplikowaniu cukru, w odstępach 10 lub 15 minutowych, z wykorzystaniem domowego urządzenia inwazyjnego.

Eksperyment, którego rezultaty przedstawiono na fig. 5a i 5b, wykonywano przy pomocy bezinwazyjnego urządzenia według wynalazku używając filtru cukrowego jako filtru ujemnej korelacji umieszczonego na jednym z elementów detekcyjnych i filtru osłabiającego umieszczonego na drugim elemencie detekcyjnym, jak to opisano uprzednio. Filtr cukrowy, którym pokryto jeden z elementów detekcyjnych został wykonany z nasyconego roztworu cukru w wodzie, tworzącego stan szklisty.

Na figurze 5a przedstawiono pomiary przeprowadzone przy pomocy urządzenia według wynalazku (oznaczone trójkątami) i pomiary dokonane za pomocą domowego urządzenia inwazyjnego (czarne kropki), względem czasu, gdzie czas zero oznacza moment zaaplikowania doustnego cukru.

184 077

Na figurze 5b przedstawiono korelację między powyższymi pomiarami. Punkty pomiarowe dla przyrządu bezinwazyjnego są średnią z trzech kolejnych pomiarów, dokonanych w odstępie czasu nie mniejszym niż 30 sekund. Współczynnik korelacji wynosi r = 0,94.

Filtr wykonany z nasyconego roztworu cukru umieszczony na jednym z elementów detekcyjnych nie był optymalizowany pod względem najlepszych własności i optymalnej absorbancji. Dokonano jedynie kompensacji przepuszczania promieniowania do drugiego elementu detekcyjnego, aby zoptymalizować wartość sygnału elektrycznego z detektora.

Na figurze 6a przedstawiono wyniki pomiarów przy pomocy bezinwazyjnego urządzenia według wynalazku, w którym zastosowano pasmowy filtr spektralny (pomiary wykonywano co minutę i oznaczono trójkątami), przy czym czarne kropki oznaczaaą pomiary wzorcowe uzyskane za pomocą domowego urządzenia inwazyjnego do pomiarów glukozy i wykonywane w odstępach 10 minutowych. Wyniki przedstawiono w odniesieniu do czasu w którym eksperyment był wykonywany, gdzie czas zero oznacza moment zaaplikowania roztworu cukru.

Na figurze 6b przedstawiono korelację między powyższymi pomiarami. Współczynnik korelacji wynosi r = 0,95.

Na wyświetlaczu 10 urządzenia jest wyświetlana informacja o kolejnych wartościach pomiarów, przy czym mogą być wyświetlane również przechowywane w pamięci komputera informacje o poprzednich pomiarach, czyli informacje istotne dla cukrzyka w celach diagnostyczno-leczniczych.

INTENSYWNOŚĆ PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO W RÓŻNYCH TEMPERATURACH

Fig. 1

184 077

Fig. 2a

Fig. 2b

Fig. 2c

Fig. 2d

184 077

Ό +v _n sygnał ^wyjściowy

O gnd

Fig. 4c

Fig. 4a

Fig. 4b

184 077

250

TEST TOLERANCJI GLUKOZY φφ pomiary metodą inwazyjną ψ V pomiary metodą bezinwazyjną

200 metoda bezinwazyjna [mg/dL] [mg/dL]

150

100 l

Fig. 5a

40 60 80

CZAS [min]

100 120 140

Fig. 5b

184 077 metoda bezinwazyjna [mg/dL] [mg/dL]

TEST TOLERANCJI GLUKOZY

300	_V V pomiary metodą bezinwazyjną φφ pomiary metodą inwazyjną
250
200	W
150	τ.

100
50	I_I_I_L	I_l

40 60 80 100 120

CZAS [min]

Fig. 6b metoda inwazyjna [mg/dL]

Fig. 6a

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance, w którym mierzy się emisję promieniowania podczerwonego emitowanego przez ciało ludzkie w sposób naturalny jako ciepło oraz wykorzystuje się analizę linii widmowych w podczerwieni, znamienny tym, że mierzy się intensywność W (λ,Τ) emisji przez ciało ludzkie linii widmowych charakterystycznych dla substancji składnikowych tkanki ludzkiej w zakresie podczerwieni dla ustalonych z góry długości fal X, gdzie długość fali X, jest zależna od składu substancji tkanki, po czym analizując zmierzone linie widmowe w zakresie podczerwieni określa się współzależność między intensywnością W(/,T) emisji linii widmowych i stężeniem badanej substancji jako miarę stężenia badanej substancji.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do pomiarów intensywności W(/,T) emisji przez ciało ludzkie linii widmowych wykorzystuje się ciepło emitowane przez błonę bębenkową i jej składniki, włączając naczynia krwionośne.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ludzką tkankę wykorzystuje się krew zaś jako badaną substancję glukozę.
4. Urządzenie do bezinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w ludzkiej tkance, zbudowane z układu wykrywania promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni i dołączonego do niego elektronicznego układu przetwarzania wykrytego promieniowania cieplnego i wyświetlania wyniku pomiaru, znamienne tym, że układ wykrywania promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni jest zbudowany z układu kierującego (4) promieniowanie podczerwone oraz z dołączonego do niego układu detekcji składającego się z zespołu optycznego (6) filtrów podczerwieni i detektora (7) czułego na promieniowanie z zakresu podczerwieni.
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że układ kierujący (4) promieniowanie podczerwone jest wybrany z grupy obejmujące optyczny falowód podczerwieni, lustro, reflaktor i soczewkę.
6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zewnętrzna część układu kierującego (4) promieniowanie podczerwone zawiera wziernik (3) umieszczany w kanale usznym.
7. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zespół optyczny (6) filtrów podczerwieni zawiera filtry o wąskim paśmie przepuszczania w podczerwieni charakterystycznym dla linii emisyjnych substancji badanej i/lub filtry o neutralnej gęstości optycznej dla regulacji intensywności promieniowania padającego na detektor (7).
8. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że detektor (7) zawiera co najmniej dwa elementy detekcyjne (11, 12) czułe na promieniowanie, przy czym jeden element detekcyjny (11) jest zakryty ujemnym filtrem korelacyjnym (14) zaś drugi element detekcyjny (12) filtrem osłabiającym (15).
9. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że detektor (7) zawiera co najmniej dwa elementy detekcyjne (11, 12) czułe na promieniowanie, które są zakryte filtrami podczerwieni o wąskim paśmie przepuszczania charakterystycznym dla linii emisyjnych substancji badanej i/lub filtrami o neutralnej gęstości optycznej dla regulacji intensywności promieniowania padającego na elementy detekcyjne (11,12) detektora (7).
10. Urządzenie według zastrz. 8 albo 9, znamienne tym, że elementy detekcyjne (11, 12) detektora (7) są połączone przeciwsobnie.
11. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że zawiera plastikowy ochraniacz (2) wykonany z materiału przeźroczystego dla promieniowania podczerwonego, przy czym ochraniacz (2) jest nałożony na wziernik (3).
12. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zawiera przesłonę optyczną (5) umieszczonąpomiędzy układem kierującym (4) promieniowanie podczerwone i układem detekcji.

184 077
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że przesłoną optyczną (5) jest migawka.
14. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że przesłoną optyczną (5) jest przerywacz.